ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN QUANG THÁI
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BỘ CHƯƠNG TRÌNH
OPENFOAM TRONG TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
DÒNG CHẢY KHÔNG CÓ/CÓ CHUYỂN PHA
Ngành: Cơ kỹ thuật
Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 85200101.01
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ KỸ THUẬT
HÀ NỘI – 2018
1
MỞ ĐẦU
Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
Nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội của con người đặt ra những vấn đề
đòi hỏi các phải sử dụng những phương tiện, thiết bị làm việc trên mặt và
trong lòng nước, ví dụ như tàu thủy, chân vịt, tàu lặn, … và cần không
ngừng nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng của
chúng. Nghiên cứu về động lực học dòng chảy nhiều pha không có/có
chuyển pha rất được quan tâm vì dòng chảy quanh các phương tiện, thiết
bị nêu trên thường là dòng chảy nhiều pha (chứa cả pha lỏng, pha
khí/hơi, …). Trong dòng chảy nhiều pha, khoang khí/hơi có thể xuất hiện
(theo cách nhân tạo hoặc tự nhiên) ở những điều kiện dòng chảy thích
hợp, khi đó, dòng chảy được gọi là dòng chảy có khoang khí/hơi. Khi có
khoang khí/hơi bao bọc bề mặt các thiết bị trong dòng chảy, lực cản do
ma sát giữa bề mặt thiết bị với chất lỏng xung quanh có thể giảm đáng kể
(có thể giảm 90%), nhiều thiết bị có thể di chuyển với vn tc cao mà tiêu
thụ ít nhiên liệu hơn [31]. Vì vy, dòng chảy có khoang khí/hơi đang được
quan tâm nghiên cứu và ứng dụng hiện nay ở cả trên thế giới và Việt Nam.
Do sự phức tạp của các hiện tượng trong dòng chảy việc nghiên cứu
dòng chảy này cho đến nay vn gặp nhiều khó khăn cả trong nghiên cứu
l thuyết và thực nghiệm cần tiếp tục thực hiện những nghiên cứu sâu sắc
hơn nữa. Những công cụ mô phỏng s góp sức đáng kể trong nghiên cứu
dòng chảy này. Trong đó, OpenFOAM (Open Source Field Operation And
Manipulation) là một công cụ có nhiều ưu điểm, nổi bt nhất là cho phép
người dùng được can thiệp vào mã nguồn để hoàn thiện các mô hình có
sẵn và phát triển những mô hình tính toán mới phục vụ nhu cầu cụ thể của
các nghiên cứu [35,37]. Việc làm chủ được OpenFOAM sẽ giúp thực hiện
những nghiên cứu sâu sắc về động lực học dòng chảy nói chung và dòng
chảy không có/có chuyển pha hay dòng chảy có khoang khí/hơi nói riêng.
Vì vy, học viên lựa chọn đề tài của Lun văn là “Nghiên cứu, ứng dụng
bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng chảy
không có/có chuyển pha”.
Mục đích của luận văn:
2
Làm chủ bộ chương trình OpenFOAM nhằm phục vụ nghiên cứu và
ứng dụng các đặc điểm động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan các vấn đề về dòng chảy không có/có chuyển
pha.
- Nghiên cứu tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở OpenFOAM.
- Tiến hành ứng dụng OpenFOAM trong tính toán động lực học dòng
chảy không có/có chuyển pha qua 2 bài toán: Mô phỏng dòng chảy có
khoang khí/hơi xung quanh vt thể xâm nhp nước và vt thể đang
chuyển động nhanh trong lòng chất lỏng.
Phương pháp nghiên cứu
Lun văn sử dụng hai phương pháp nghiên cứu chính: Phương pháp
tổng hợp, phân tích tài liệu và Phương pháp thí nghiệm s.
Bố cục của luận văn
Ngoài phần Mở đầu, Kết lun, Danh mục công trình khoa học của tác
giả liên quan đến lun văn và Tài liệu tham khảo, lun văn có 3 Chương:
Chương 1. Tổng quan một s vấn đề chuyển động của vt thể trong
chất lỏng có khoang khí/hơi
Chương 2. Tổng quan về bộ chương trình mã nguồn mở OpenFOAM
Chương 3. Ứng dụng bộ chương trình OpenFOAM trong tính toán
động lực học dòng chảy không có/có chuyển pha
Phần Phụ lục đề cp tên và ứng dụng của những bộ giải chuẩn có sẵn
trong OpenFOAM phục vụ cho các tính toán mô phỏng thủy động lực học
của dòng chảy nhiều pha.
Chương 1.
TỔNG QUAN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT
3
THỂ TRONG CHẤT LỎNG CÓ KHOANG KHÍ/HƠI KHÔNG
CÓ/CÓ CHUYỂN PHA
1.1. Dòng chảy có khoang khí/hơi xung quanh vật thể di chuyển trong
lòng chất lỏng
1.1.1. Sự hình thành khoang khí/hơi xung quanh vt thể
Hình 1.1 dưới đây [59] minh họa khoang khí/hơi tự nhiên hình thành
quanh một quả cầu kim loại được thả vào nước từ bên ngoài không khí.
Hình 1.1. Khoang khí/hơi hình thành khi quả cầu đi từ không khí vào nước
Khoang chứa khí này được hình thành ngay từ khi quả cầu bắt đầu tiếp
xúc với mặt thoáng của nước do sự chiếm chỗ của không khí tại vùng
không gian trng mà vt thể tạo ra sau khi xuyên qua mặt thoáng và đi
sâu vào lòng chất lỏng. Tại vùng này, khoang chứa khí được lấp đầy bởi
không khí và hơi nước sinh ra do sự giảm áp tới áp suất hơi bão hào của
chất lỏng xung quanh vt thể [12, 17,27,31]. Do khoang này chứa cả khí
và hơi nên Lun văn gọi chung là Khoang khí/hơi.
Trong dòng chảy có khoang khí/hơi, vùng chất lỏng tại lớp biên ri
của dòng chảy ở gần bề mặt vt thể xảy ra sự giảm áp tới áp suất hơi bão
hòa của vùng chất lỏng gần bề mặt vt thể [12,17].
Hình 1.2. Sự hình thành khoang hơi tại lớp biên rối trên bề mặt vật thể.
4
Bằng các kỹ thut nhân tạo, một khoang khí/hơi có thể được tạo ra
xung quanh các vt thể đang chuyển động trong lòng chất lỏng được gọi
là khoang khí/hơi nhân tạo.
Hình 1.4. Sự hình thành khoang khí nhân tạo trên bề mặt vật thể.
1.1.2. Một s tham s đặc trưng của dòng chảy khoang khí/hơi
• S khoang (cavitation number) 𝜎 = 𝑝∞−𝑃𝑐
0.5𝜌𝑈∞
2
(1.1)
• Hệ s áp suất 𝐶𝑝=𝑝𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙−𝑝∞
0.5𝜌𝑈∞
2
(1.2)
• S Reynolds 𝑅𝑒 =𝜌𝑈∞𝑐
𝜇
(1.3)
• S Froude 𝐹𝑟 =𝑈∞
√𝑔𝑐
(1.4)
• Hệ s cản 𝐶𝐷=𝐹𝐷
0.5𝜌𝑈∞
2𝐴
(1.5)
• Tỉ s blockage: là tỷ lệ giữa đường kính trong ng quan sát với
đường kính đầu dính ướt [9,23]. Giá trị của tỉ s blockage ảnh hưởng
tới s khoang σ nhỏ nhất hệ ng thủy động có thể hình thành dược.
• Hệ s cấp khí 𝐶𝑄=𝑄𝑎𝑖𝑟
𝑈∞𝐷𝑐
2
(1.6)
1.2. Một số đặc tính chủ yếu của khoang khí/hơi xuất hiện quanh vật
thể chuyển động trong lòng chất lỏng
- Diện tích tiếp xúc của bề mặt vt với chất lỏng và chất lỏng thấp
hơn so với khi không có khoang khí/hơi
- Sự biến mất của khoang khí/hơi có thể sinh ra xung áp lực lớn
trong chất lỏng tại vị trí khoang khí/hơi đóng kín